Die NUAK-Familie SNF1-ähnliche Kinase 1, auch bekannt als AMPK-verwandte Proteinkinase 5 (ARK5), ist ein Enzym, das beim Menschen durch das NUAK1-Gen kodiert wird.

AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) und AMPK-verwandte Kinasen

Fettleibigkeit und Diabetes (DM) bedrohen derzeit die Gesundheit in fast jedem Land der Welt. Eine beeinträchtigte Energiebilanz wird als Hauptursache für Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes angesehen. Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) ist eine hochkonservierte Serin/Threonin-Proteinkinase (PK) mit mehreren Substraten und wurde entwickelt. Sie wird als Hauptsensor und Regulator des energetischen Gleichgewichts bezeichnet. AMPK wirkt als Heterotrimer, das aus einer katalytischen Untereinheit (α) und zwei regulatorischen Untereinheiten (β und γ) besteht, da ihre Aktivität durch einen Anstieg des intrazellulären AMP: ATP-Verhältnisses in Zellen unter metabolischem Stress (z. B. Hypoxie, Hitzeschock und Ischämie) reguliert wird. Es wird berichtet, dass AMPK eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Glukose- und Cholesterinstoffwechsels sowie bei der Zellproliferation, Zellpolarität und Tumorigenese spielt, indem es auf metabolischen Stress reagiert. Darüber hinaus kann die AMPK-Aktivität auch durch Hormone und Zytokine reguliert werden, was zu Veränderungen im Stoffwechsel führen kann, die wiederum das Tumorwachstum fördern können.

Struktur und Expression

Die Mitglieder der NUAK-Familie (einschließlich NUAK1 (ARK5) und NUAK2 (SNARK)) enthalten eine ubiquitinverwandte Domäne, die sich in der Nähe des C-Terminus ihrer katalytischen Domäne befindet und für die Phosphorylierung und Aktivierung von LKB1 erforderlich ist. Eine Homologiesuchanalyse der Aminosäuresequenz von ARK5 ergab, dass die Gesamt-Homologie mit menschlichem SNARK 55,0 % betrug. Obwohl AMPK eine Heterotrimerfunktion hat, ist unklar, ob ARK5 und SNARK ebenfalls als Heterotrimer fungieren. Das menschliche ARK5-Protein besteht aus 661 Aminosäuren (ca. 76 kDa). Das Maus-ARK5-Protein wird voraussichtlich 658 Aminosäuren enthalten, während das Ratten-ARK5-Protein ein Polypeptid mit 660 Aminosäuren ist. ARK5-mRNA und -Protein werden im Herzen, in den Nieren, im Gehirn, in der Leber und in der Skelettmuskulatur nachgewiesen. Interessanterweise berichteten Fisher et al., dass die Western-Blot-Analyse mit selbst hergestellten Antikörpern zeigte, dass es zwei ausgeprägte ARK5-Banden in der Skelettmuskulatur gab, und die tiefere der beiden Banden zeigte das gleiche Molekulargewicht wie AMPK, was auf die potenzielle Interaktion von ARK5 mit neuen AMPK-Familienkinasen hinweist. Die ARK5-Expression steht in engem Zusammenhang mit Matrix-Metalloproteinase 2 (MMP2), MMP9 und dem S100-Calcium-bindenden Protein A4 (S100A4) und ist eng mit der schlechten Prognose des multiplen Myeloms verbunden. Darüber hinaus steht die ARK5-Expression auch im Zusammenhang mit dem v-raf murinen Sarkomavirus-Onkogen B1 (BRAF)-vermittelten Weg. BRAF wird als neuer Indikator für das Fortschreiten und die Aggressivität des papillären Schilddrüsenkarzinoms angesehen. Die Expression von ARK5-mRNA im Kolorektalkrebs steht im Zusammenhang mit dem Stadium, und der Expressionsgrad von ARK5-mRNA in Lebermetastasen des Kolorektalkrebses ist hoch. Kolorektalkrebszelllinien DLD-1, WiDr, HCT-15, SW620, LoVo, SW480 und SW1116. Allerdings wird ARK5 in differenzierten C2C12-Myotuben höher exprimiert als in undifferenzierten Myoblasten, was darauf hindeutet, dass NAUK/ARK-Proteine in verschiedenen Zelltypen multiple Rollen haben.

Funktion und Regulation von ARK5

Ähnlich wie andere Mitglieder der AMPK-Familie enthält ARK5 eine hochkonservierte aktive T-Schleife, was auf das Vorhandensein von upstream Kinasen hinweist, die Threoninreste in der katalytischen Domäne phosphorylieren. LKB1 und die Akt-Kinase modifizierten Serin 600, das ARK5 auf Threonin 211 phosphoryliert, was seine Kinaseaktivität aktivieren kann. Wie die meisten von AMPK-regulierten Kinasen wird die ARK5-Aktivität durch die LKB1-Phosphorylierung ihrer T-Cyclothreonine um das 10- bis 20-Fache erhöht. Eine aktuelle Studie zeigte, dass die Aktivität des ARK5/SNARK-Immunkomplexes in der Skelettmuskulatur von muskel-spezifischen Lkb1-Knockout-Mäusen, die Antikörper verwendeten, die zwischen den beiden Proteinen nicht unterscheiden konnten, bei basaler und kontraktiler Stimulation signifikant reduziert war. Dies deutet darauf hin, dass SNARK und ARK5 wichtige Regulatoren von LKB1 in der Skelettmuskulatur sein könnten. Kürzlich haben Matrigel-Invasionstests gezeigt, dass sowohl die Überexpression als auch das endogene ARK5 eine starke Akt-vermittelte Aktivität zeigen. Wichtig ist, dass ARK5 das einzige Mitglied der AMPK-Familie ist, das bisher von Akt reguliert wird.

Fazit

Die NUAK-Familie ist entscheidend für Malignität und Energiestoffwechsel. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um den regulatorischen Mechanismus und die Funktion der NUAK-Familienproteine zu klären. Obwohl die Funktionen der NUAK-Familie nicht vollständig verstanden sind, werden ARK5 und SNARK als potenzielle therapeutische Ziele für die Behandlung von menschlichem Krebs und Stoffwechselerkrankungen wie Fettleibigkeit und DM angesehen.

Referenz:

1. Wan-Chun Li; et al. The Regulation and Function of the NUAK Family. Journal of Molecular Endocrinology (2013) 51, R15–R22